嵌入式系統創新與開放實驗教學平臺淺析

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摘要：為了提高嵌入式系統實驗自主創新性，構建實驗資源化開放型實驗教學平臺，該平臺為學生實驗、實踐提供全面服務。本文結合自動化專業工程應用背景，討論全新的嵌入式系統實驗平臺建設方案，探索智能化開放式實驗室管理機制，形成以信息化、服務型、先進性為特色的實驗教學改革思路，以此激發學生對嵌入式系統學習的潛力。

關鍵詞：嵌入式系統；實驗平臺建設；開放實驗室；教學改革

0前言

隨著嵌入式技術的發展，推動社會對專業人才的需求，傳統的人才培養模式存在眾多的弊端，嵌入式技術正在成為高校電氣信息類專業計算機硬件課程體系的核心內容之一，為更好、更經濟地培養技術人員，嵌入式系統課程內容具有應用性強、設涉及領域廣、技術更新快等特點，所以在國內各類高校對嵌入式系統課程的理論教學與實踐環節進行許多探索，嵌入式系統是將先進的計算機、半導體、電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物，是面向特定應用設計的專用計算機系統，被廣泛地應用于國民經濟的各個行業[1-2]。典型包含嵌入式系統設備包括：智能家電、汽車、工業自動化機器人等設備。嵌入式系統及應用實驗是自動化專業的一門重要的實踐創新課程，要求學生掌握嵌入式系統的開發技術，能在今后實際工程中自如地運用嵌入式系統[3-5]。

1嵌入式系統實驗課程現狀

目前大多數高校嵌入式系統及應用實驗，不論是從實驗設備，還是從教學和管理模式上都有長足的進步和發展，實踐環節較之前已有大幅改善[6-7]。但實驗內容設計還停留在實驗箱演示實驗，與工程實際聯系較少，學生缺乏獨立自主地開發完備嵌入式系統的能力，這樣的培養方式難以適應人才發展的要求[8-9]。我院自動化專業“嵌入式系統及應用（雙語）實驗”經過兩年的發展，已初見成效。但實驗資源也僅能滿足基本的課程實驗要求，同樣存在學生綜合創新能力偏弱的問題、以及實驗室對開放性實驗的機制還不夠完善，智能化實驗室管理平臺不夠完備；在授課形式、實驗內容設計、激勵創新等方面還有待突破和提高。2實驗平臺建設的目標實驗室本著以滿足學生實踐、創新、創業的需求，實現實驗教育信息化的目標，達到建設自動化“一流”專業的要求，建設具有信息化、服務型、先進性特色的嵌入式系統實驗教學平臺；同時對實驗室進行改造升級，實現無人值守、智能管理的目標。該平臺主要支撐自動化專業核心課程嵌入式系統及應用、嵌入式系統課程設計以及學生的競賽、創新實踐、創業項目等內容。

3實驗平臺建設方案

以“構建網絡化、數字化、個性化、模塊化的開放式嵌入式系統實驗教學平臺，為學生嵌入式系統的學習、實踐、創新、工程應用全面服務”為平臺建設目標。平臺建設方案主要從三方面討論即：實驗資源的模塊化建設、實驗教學的體系化建設、實驗管理的智能化建設。實驗平臺建設體系結構如圖1所示。

實驗資源模塊化建設，由豐富多彩的元器件、功能模塊、系統模塊構成實驗模塊化資源池，學生可在資源池中依據自己的興趣、特長選取實驗模塊，搭建自己專屬的嵌入式系統實驗平臺；

實驗課程體系建設，由“基礎功能實驗、系統實踐實驗、創新項目實驗、創意設計實驗”等四部分構成。其中基礎功能實驗主要使學生掌握開發環境與開發流程；系統實踐實驗著重培養學生的實際動手能力和應用程序設計方法；創新項目實驗著重培養學生的工程項目素養；創意設計實驗主要發揮學生的創意想象，在教師給出的實驗素材上，設計實現自己專屬的嵌入式系統；

實驗管理智能化建設，實驗教學平臺在實驗課程體系的每部分提供了形式多樣、內容豐富的實驗項目，并由實驗團隊教師錄制成視頻，在實驗教學網站上組成實驗項目教學視頻庫；學生可根據自己的興趣愛好、掌握程度、以及學時要求自由搭配選擇四部分的實驗項目內容，并通過平臺網站預約系統在實驗室完成實驗內容。最終教師以學生在創意項目答辯中的表現及提交的項目報告給出綜合評判。

3.1實驗資源模塊化建設

嵌入式系統實驗及創新實踐活動的開展需依托硬件平臺，種類豐富多樣的實驗資源能極大拓展學生的想象力和創造力，充分調動學生的自主能動性，激發出學生創新實踐的熱情[10-12]。實驗資源的模塊化、標準化有利于快速、高效、靈活地構建嵌入式系統，學生可在實驗資源池中自由組合、靈活選擇功能外設、被控對象、元器件等實驗元素，搭建滿足設計內容要求的實驗平臺。為滿足嵌入式系統實踐實驗、創新實驗項目、創意設計實驗的需求，資源池以嵌入式系統控制板為核心，構建功能系列模塊，包括藍牙模塊、WiFi模塊、物聯網模塊、指紋識別模塊、液晶屏、攝像頭等，構建可編程開發的系統平臺系列模塊，包括全向機器人、平衡小車、小型機器人、四旋翼飛行器等，還構建了被控對象系列模塊，包括交流電機、直流電機、步進電機等，常用元器件、實驗耗材及測試測量設備也納入實驗模塊化資源池，以滿足學生創新實踐的要求。資源池中的模塊向學生開放，由管理系統統籌安排，統一調配。實驗資源池模塊展示如圖2所示。

3.2實驗課程體系建設

3.2.1基礎功能實驗。圍繞嵌入式系統Stm32系列開發板設計的功能性實驗，通過此類實驗，使學生熟悉編程語言，掌握開發環境與開發流程，了解嵌入式系統芯片硬件資源。實驗平臺可支持6個實驗，學生可根據學時要求自由選擇實驗，可選實驗內容如表1所示：3.2.2系統實踐實驗。以Stm32系列ARM開發板為核心，配備功能模塊，例如：溫度傳感器、超聲波測距模塊、攝像頭等，讓學生實踐一個嵌入式的小系統，使學生學會應用硬件外設，掌握編程技巧。表2為實驗平臺所支持的系統實踐實驗；3.2.3創新項目實驗。以實際完備的嵌入式系統項目為藍本，例如，電動車電機控制系統、LED節能燈系統、指紋識別系統等，讓學生體驗一個完整的嵌入式系統項目，掌握嵌入式系統項目開發流程及設計思路，可選項目如表3所示；3.2.4創意設計實驗。向學生全面開放實驗元素資源池，由學生自由選擇功能模塊或系統平臺，自由設計系統功能，自由發揮自己的創意，最后通過設計系統的演示答辯及每個實驗的實驗報告給出綜合評判。該實驗體系讓學生由基礎功能實驗起步，到系統實踐實驗鞏固，再到創新項目實驗開拓思路，最后通過創意設計實驗完全發揮出學生的自主能動性和創新性。

3.3實驗管理智能化建設

嵌入式系統服務式創新開放實驗教學平臺實現開放、智能化管理，服務于學生，實驗管理過程如表4所示。3.3.1實驗教學開放共享視頻庫等資源建設。主要針對基礎功能模塊，錄制完整實驗視頻，組成教學視頻庫；創新實踐模塊可增加項目討論區，學生可上傳自己實驗視頻，與學生和教師發帖討論；3.3.2實驗平臺預約系統建設。學生通過網絡預約時間和實驗室機位，高效實驗室管理程序；3.3.3資源池管理系統建設。系統主要完成資源池實驗硬件和軟件資源學生網上申請，實驗教師確認，并將實驗器材放入實驗室資源自提柜，通過網絡平臺回復學生，學生通過自提碼提取。實現無人值守智能化實驗管理模式；3.3.4實驗教學管理系統建設。完成實驗報告上傳提交，及教師在線成績評價。

4實驗教學方法改革特色

4.1以實驗室為基地創造科研環境，吸取中青年教師

進入實驗室從事科研活動，指導實驗，由于開放式實驗通常是在課后進行，且隨機性較強，所以按部就班地安排開放實驗教學是不可行的，因此針對開放性實驗指導教師不足問題，可通過創造科研環境吸引教師進入實驗室從事科研活動的方式，充實開放實驗的指導教師隊伍；

4.2分階段對學生的實驗結果進行考核制度

開放實驗具有隨機性強和難度較大的特點，若沒有合適的管理方法，可能導致實驗不能達到預想的效果，甚至最后不了了之，所以嵌入式系統教學方法改革的重點就是讓學生成為實驗教學的中心，學生可通過實驗平臺網站觀看實驗教學視頻獲取實驗內容。根據教學時間節點，通過網絡平臺預約系統，自行安排實驗時間，獨立完成實驗項目。實驗課程的教師將退居次要角色，引導學生設計實驗過程。在保證滿足學時要求的情況下，學生依據自己的興趣、喜好自由選擇實驗項目中的實驗。從資源池中任意選擇功能模塊，根據自己意愿設計豐富多彩的嵌入式系統。

5結語

為讓學生充分認識、了解、掌握嵌入式系統，實驗平臺特別增添功能外設、被控對象、元器件等實驗元素，構成實驗資源池，用于組合、搭建更加豐富、靈活的實驗硬件平臺；構建嵌入式系統實驗體系，讓學生由基礎功能實驗起步，到系統實踐實驗鞏固，再到創新項目實驗開拓思路，最后通過創意設計實驗完全發揮出學生的自主能動性；并設計全新的實驗教學方法，將實驗的視頻教學、網上預約、答辯考核等各個環節有機地聯系起來，建立完整的嵌入式系統實驗教學平臺。平臺以認知嵌入式系統實驗實踐創新課程為主體，改變以往實驗課教學模式，構建一種以學生為主導、智能化服務學生的實驗教學。課程通過難易分級的實驗項目，以全面開放的實驗教學視頻、實驗設備及實驗場地，讓學生最大程度發揮自主能動性和創新性。

作者:劉文泉 單位:西北工業大學自動化學院